Acid catalysed hydrolysis of lignocellulose : kinetics, predictability, and separation of degradation products

Abstract

The pretreatment of lignocellulose-based biomass is an important step in the industrial process from an economical and efficiency point of view. The pretreatment aims to get the lignocellulose raw materials (cellulose, hemicellulose, and lignin) into the separate fractions. A common pretreatment method is acid-catalyzed hydrolysis. During hydrolysis, degradation products are formed from all building materials of lignocellulose. The most common degradation products are sugars, furans, acetic acid, and phenolic compounds. The pretreatment methods of new biorefinery processes require efficient water recycling and water purification. In addition, monitoring the pretreatment methods and stopping the reaction at the right time requires understanding of the chemical changes and the progress of the hydrolysis with the help of online measurement methods.

During acid-catalyzed hydrolysis, degradation products which end up in the aqueous phase (process water) are formed. Over time these compounds accumulate into the process water due to recycling and cause unwanted colorization of the hydrolyzed pulp. Separation methods such as flocculation, coagulation, adsorption, electrocoagulation, and filtration can be used for water purification. In this work was discovered that adsorption showed the ability to remove colour-causing degradation products, but the capacity to remove sugars was limited. In the future, separation of sugars should be improved. Different separation methods can be tried for this, such as membrane filtration or chromatographic separation.

The formation of degradation products into process water during hydrolysis was also used for indirect monitoring of hydrolysis. The studied methods were monitoring the concentrations of degradation products, spectroscopic methods, and monitoring the colour change of the process water. Laboratory measurements showed that the formation of degradation products during hydrolysis strongly correlates with the degree of polymerization. In addition, among spectroscopic methods, UV-VIS showed the ability to show the progress of hydrolysis.

Lignoselluloosapohjaisen biomassan esikäsittely on teollisten prosessien taloudellisuuden ja tehokkuuden kannalta tärkeä vaihe. Esikäsittelyssä pyritään saamaan lignoselluloosan raakaaineet (selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini) omiksi fraktioikseen. Yleinen esikäsittelymenetelmä on happokatalysoitu hydrolyysi. Hydrolyysissä muodostuu hajoamistuotteita kaikista lignoselluloosan rakennusaineista. Yleisimpiä hajoamistuotteita ovat sokerit, furaanit, etikkahappo sekä fenoliset yhdisteet. Uusien biojalostamoprosessien esikäsittelymenetelmät vaativat tehokkaan vedenkierrätyksen ja vedenpuhdistuksen. Lisäksi esikäsittelymenetelmien seuraaminen ja reaktion pysäyttäminen oikeaan aikaan vaati kemiallisten muutosten ja reaktion etenemisen ymmärtämistä online-mittausmenetelmien avulla.

Happokatalysoidussa hydrolyysissä prosessiveteen muodostuu hajoamistuotteita. Prosessiveden kierrätyksessä hajoamistuotteet kumuloituvat ja aiheuttavat ei-haluttua sellun värjäytymistä. Vedenpuhdistukseen voidaan käyttää erotusmenetelmiä, kuten flokkulointia, koagulointia, adsorptiota, elektrokoagulaatiota ja suodatusta. Tässä työssä tutkituista menetelmistä adsorptio osoitti kykyä poistaa väriä aiheuttavia hajoamistuotteita, mutta sokereiden poistamiseen kapasiteetti oli rajallinen. Tulevaisuudessa sokereiden erottamista tulisi parantaa. Tähän voidaan kokeilla eri erotusmenetelmiä, kuten membraanisuodatusta tai kromatografista erotusta.

Hajoamistuotteiden muodostumista prosessiveteen hydrolyysin aikana käytettiin myös hydrolyysin etenemisen epäsuoraan seurantaan. Tutkittavia menetelmiä prosessivedestä olivat hajoamistuotteiden pitoisuuksien seuraaminen, spektroskooppiset menetelmät sekä prosessiveden värin muutoksen seuraaminen. Laboratoriomittaukset osoittivat, että hajoamistuotteiden muodostuminen prosessiveteen hydrolyysin aikana korreloi vahvasti polymerisoitumisasteen kanssa. Lisäksi spektroskooppisista menetelmistä UV-VIS osoitti kykyä näyttää hydrolyysin etenemistä.